6.3. Эпитаксия

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристал­лических слоев на подложку, при котором кристаллографиче­ская ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллогра­фическую ориентацию подложки.

В настоящее время эпитаксия обычно используется для по­лучения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке, играющей роль несущей кон­струкции.

Типовой — хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем (рис. 6.2). Монокристалличе­ские кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида крем­ния SiCl₄. При высокой температуре (около 1200 °С), которая обеспечивается высокочастотным нагревом тигля, на поверхно­сти пластин происходит реакция

SiCl₄ + 2Н₂ = Si + 4НС1.

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чисюго кремния, а пары НС1 уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и под­ложка. Химическая реакция, благодаря подбору температуры,

1

2

2

Н₂ + SiCl₄ Н₂ + РН₃ н₂ + В₂Н₆ HCI

3

У

Рнс. 6.2. Схема хлоридного процесса эпитаксии: 1 — кварцевая труба; 2 — катушка ВЧ нагрева; 3 — тигель с пластинами; 4 — пластина крем­ния; 5 — вентиль для перекрытия соответствующего газа; в — измеритель

скорости потока

происходит только на поверхности пластины, а не в окружаю­щем пространстве.

Процесс, проходящий в потоке газа, называют газотранс­портной реакцией, а основной газ (в данном случае водород), переносящий примесь в зону реакции, — газом-носителем.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соедине­ний бора (В₂Н₆) или фосфора (РН₃), то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно дырочную или электронную проводимость, поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

В установке, показанной на рис. 6.2, предусмотрены некото­рые дополнительные операции: продувка трубы азотом и неглу­бокое травление поверхности кремния в парах НС1 (с целью очистки). Эти операции проводятся до основных.

Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать монокрис­таллические слои любого типа проводимости и любого удельно­го сопротивления на подложке, обладающей тоже любым ти­пом и величиной проводимости (рис 6.3).

Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по химическому составу. Способ получения таких пленок называ­ют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Конечно, при гетероэпитаксии материалы пленки и под­ложки должны по-прежнему иметь одинаковую кристалличе­скую решетку. Например, можно выращивать кремниевую пленку на сапфировой подложке.

а) б) в)

Рис. 6.3. Примеры эпитаксиальных структур;

а — пленка л-типа на «'-подложке; б — пленка р^т-типа на га-подложке;

в — пленка n-типа на р-подложке

Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не по­лучается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитак- сии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это об­стоятельство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослойных эпитаксиальных структур. Основную роль в на­стоящее время играет однослойная эпитаксия. Она существен­но пополнила арсенал полупроводниковой технологии; получе­ние таких тонких однородных слоев (1-10 мкм), какие обеспе­чивает эпитаксия, невозможно иными средствами.

В заключение заметим, что помимо описанной газовой эпи- таксии, существует жидкостная эпитаксия, при которой нара­щивание монокристаллического слоя осуществляется из жид­кой фазы, т.е. из раствора, содержащего необходимые компо­ненты.